椰果采摘裝置改良設計

張梓謙 程清偉 卓有成 宋宇航

華南理工大學廣州學院

一、研究背景及意義

目前，國內椰子產量主要看海南，海南就文昌市而言，已經擁有海南省最大的椰子種植面積，然而盡管政府大力宣傳，但進行采摘的方式非常有限，年產12億的海南，基本都是使用人工采摘，危險，不安全，工人勞動強度偏高。

學術研究方面，海南大學研發出了液壓機械臂采摘機，通過液壓伸縮機械臂控制切割刀的方式來采摘椰果；印度Akshay Prasad Dubey設計了一款椰子樹攀爬收獲機器人，該機器人由上下兩個環形結構組成，交替抱樹實現機器人的上下攀升；山東農業大學機械與電子工程學院研制了一種爬樹修剪機器人，如圖1所示。

但是在以上的機器當中，都存在著一些如機器過于龐大或者未能解決夾緊樹干的問題，因此，結合人們對此的需求，本論文設計一款椰果采摘車來避免人力勞動強度大具有重大意義。

圖1 一種爬樹修剪機器人

二、椰果采摘車結構設計

本裝置主要由兩部分組成，一是機械部分，二是電子控制部分。該裝置四個三相無刷直流電機與車輪一體的輪轂電機作為驅動裝置，四個電機輪保證了足夠的爬升動力利用四個機械手進行椰果采摘。

椰果采摘車的工作原理：內環臂、外環臂、伸縮機構，內環臂呈筒狀且用于套設在樹干的外周，外環臂包括兩個以上的圓弧狀的外環板，外環板沿內環臂的中心軸周向環繞設置，各個外環板分別通過伸縮機構連接于內環臂的外部，且伸縮機構能夠伸縮使外環板沿內環臂徑向移動可伸縮外板的設計使得本裝置適用于爬行各種直徑大小不同的椰子樹，在爬行過程中根據壓力傳感器檢測的壓力值可以隨時調整外板伸縮量，以保證輪胎對樹干的正壓力達到所需值。利用四組氣壓桿卡住樹干的方式來達到在任意高度停留采摘的目的。彈簧氣缸的應用，一方面可以調節外板伸縮量，另一方面可以起到一定的避震作用，減小爬行過程中的產生的震動。椰果采摘車結構簡單、能夠實現穩定地攀爬采摘椰果。

椰果采摘車整體結構主要由爬行系統和椰果采摘系統組成，椰果采摘車裝置圖如圖2所示。

圖2 整體結構圖

三、對卡槽式可拆卸內板的要求及其對采摘裝置的要求

內板采用兩個半圓弧形板組成，兩者通過卡槽方式配合，既方便拆卸、組合，又可以承受彈簧氣缸提供的較大的徑向拉力。圓弧型內板的直徑大于椰子樹的最大直徑，適合攀爬直徑大小不一的椰子樹，可拆卸內板部分有限元分析如圖三所示。圓弧型的設計使得裝置整體更加美觀，結構更加緊湊。通過對裝置受力較大得零部件進行網格劃分及靜應力仿真分析，經驗證，本裝置滿足預期設計要求。

采摘裝置主要由機械手，機械爪和機械臂組成。機械爪采用氣缸驅動，能夠根據單片機的控制自由調節機械爪地張開角度，實現了采摘各種大小地椰果的功能。氣動機械式傳動的機械爪降低了控制難度，簡化了采摘方式。機械臂設計共有四個自由度，整個裝置共有四個機械臂，均勻分布在四周，能夠無死角地對椰果進行采摘。

圖3 有限元網格劃分

四、椰果采摘電控控制

電子控制部分原理：首先控制部分必須根據hall-sensor感應到電機轉子目前的位置，然后按照定子繞線決定開啟或關閉換流器中功率晶體管的順序，如inverter中的ah、bh、ch以及al、bl、cl，使電流依序流經電機線圈產生順向或逆向旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時針/逆時針轉動。當電機轉子轉動到hallsensor感應出另一組信號的位置是，控制部又在開啟下一組功率晶體管，如此循環電機就可以依同一方向繼續轉動直到控制部決定電機轉子停止則關閉功率晶體管或只開下臂功率晶體管：要電子轉子反向旋轉則功率晶體管開啟順序相反。

當電機轉動起來控制部會再根據驅動器設定的速度及加/減速率所組成的命令command與hall-sensor信號變化的速度加以對比在來決定下一組開關導通以及導通時間長短。速度不夠則開長，速度過頭則減短，次部分工作就有pwm來完成。

五、創新應用

椰子樹采摘首先需要的是攀爬到一定高度進行對應的采摘工作，故椰果采摘車作為一個智能化機器，使用期間能夠讓機器以一定的速度與負載，通過遙控控制機器上升到椰果采摘范圍，并在爬樹期間能夠對樹干大小進行監控來讓椰果采摘車進行對應調節，適應樹干大小。

因此，該機器能解決目前椰果采摘中存在的效率低下，成本較高及危險系數比較大等的問題。近年來科技發展迅速，農業林業正朝著機械化，自動化方向快速發展，但是椰果采摘相關人士一直擔憂如何解決椰果采摘的問題，那么椰果采摘車將發揮它該有的作用。